CN102811793A - 用于从废气中去除气体组分的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于从废气中去除气体组分SOx、NOx和CO2的方法，所述方法包括以下步骤：a）使所述废气与第一液体介质接触，所述第一液体介质提供包含一定量的反应电子或离子的第一等离子体，以致于气体分子SOx承受所述第一等离子体中的所述电子或离子的轰击，使所述气体分子SOx离解，从而从所述废气中去除SOx；b）使得自步骤a）的所述废气与第二液体介质接触，所述第二液体介质提供包含一定量的反应电子或离子的第二等离子体，以致于气体分子CO2承受所述第二等离子体中的所述电子或离子的轰击，使所述气体分子CO2离解，从而从所述废气中去除CO2；c）使得自步骤b）的所述废气与第三液体介质接触，所述第三液体介质提供包含一定量的反应电子或离子的第三等离子体，以致于气体分子NOx承受所述第三等离子体中的所述电子或离子的轰击，使所述气体分子NOx离解，从而从所述废气中去除NOx。本发明还公开了一种用于从废气中去除气体组分SOx、NOx和CO2的系统。

Description

用于从废气中去除气体组分的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于去除污染物和温室气体的方法和系统。具体而言，本发明涉及一种方法和一种系统，所述方法和系统用于在湿式等离子体环境中通过采用电子轰击来从废气中同时去除诸如SOx、NOx和CO2的气体组分。
背景技术
随着逐渐认识到尤其是气体组分SOx、NOx和CO2的污染物以及温室气体对环境的负面影响，目前有许多排放控制法规以适当地控制这些污染物和温室气体排放。业已有人进行许多实验以满足这些法规的要求，其中一种方法是后燃烧气体消除技术。然而，由于废气具有复杂的性质，所以这种技术并不令人满意。众所周知，废气中的成分差异很大且取决于所使用的燃料类型。但是，SOx、NOx和CO2是在燃烧过程中同时产生的三种主要的常见气体。因此，只考虑消除一种气体而忽略来自其它气体的冲突影响是不实际的。
大多数现有技术只用于去除一种气体，下面将对这些技术进行说明。
通常通过湿石灰或干石灰洗涤工艺来去除SO2。这是一种只去除SO2而不去除NOx的液相或固相化学反应工艺。事实上，当加热原材料CaCO3以得到石灰CaO时，石灰CaO的产生会导致CO2的排放。石灰可用作该工艺中的消耗反应剂。
还可通过加入或不加入NaOH的海水或淡水洗涤法来去除SO2。在该工艺中，通过液相化学反应来去除SO2，但同时会产生对环境有害的酸性水或CO2。在水中的碱性物质或所添加的NaOH可用作该工艺中的消耗反应剂。此外，该工艺不能去除NOx或CO2。
通常通过选择性催化还原（SCR）工艺来去除NOx。在该SCR工艺中，使用尿素或氨来将NOx还原成氮气和氧气。该SCR工艺只能去除NOx而不能去除SOx或CO2。事实上，在该SCR工艺中，SOX会“污染”催化剂。该SCR工艺的另一个缺点是，需要大于300℃的高温来催化还原气体。这在许多燃烧设施的二次燃烧系统中是不能实行的，尤其当需要安装废热回收装置以回收废气的余热时。在该SCR系统中，会发生液相化学反应，该反应利用高热能来进行催化气体还原。
还可通过化学氧化工艺来去除NOx。其中在NOx溶于水中而形成硝酸盐或亚硝酸盐之前，NOx被迫与诸如臭氧和酸性物质的氧化剂反应，以将NO转化成NO2且最终转化成N2O5。该工艺会造成环境问题，因为在废水中形成高含量的硝酸盐或亚硝酸盐。该工艺不能去除CO2和SOx。
在废气中，CO2的容积成分通常比SOx或NOx多几百倍。现有技术中没有合适的或可行的技术来去除CO2。一种用于处理CO2的方法是所谓的碳捕获及存储（CCS）方法，该方法利用诸如单乙醇胺（MEA）的化学物质来俘获CO2以及通过加热来释放CO2以作储存。该方法将CO2存储于地下而不是将CO2释放至大气中。
用于大规模消除SOx、NOx和CO2气体的现有技术通常采用化学物质以及通过液相反应来实施。
一种电化学工艺被提出以通过产生氢氧化钠来去除气体污染物（Sukheon An和Osami Nishida,JSME International Journal,series B,vol 46,No 1,2003）。该工艺主要采用电解海水来产生化学物质氢氧化钠，以进行液相中和并从而去除气体SOx和CO2。在阳极侧产生的酸性水接着用于通过液相化学反应来将NOx氧化成硝酸盐。如该文所论述，该整个工艺基于液相化学反应而运作。SO2转化成液相的硫酸钠，NOx转化成液相的硝酸钠，以及CO2转化成液相的重碳酸盐和碳酸盐。该工艺有硝酸盐排放问题，且需要摩尔当量的NaOH来进行液相反应以去除每克CO2。这必然需要大量NaOH或需要大量电力来电解产生NaOH。使用该工艺的相关问题是，在电解过程中产生的CO2的量可能比需要从废气中去除的CO2的量还多。此外，去除NOx时产生的硝酸盐以及在该工艺中产生的洗涤水会造成环境问题，除非独立地安装大型废水处理设施来处理废水。如果在闭环系统中实施该工艺，该系统会达到饱和点，其中，当在海水或淡水中的有限量的用于转化CO2、SOx和NOx的反应剂用光时，液相反应不会再发生。由于这种局限性，在闭环应用中使用该工艺是不实际的。该工艺只能应用于开环系统，因为可连续供应海水反应剂。但是，所产生的硝酸盐和废水的问题以及所需要的用于去除CO2的能量的问题仍然没有解决。
上述的所有方法都是基于液相反应。目前存在各种采用干等离子体法技术来去除气体NOx的方法和系统。这些方法和系统的共同特点是使用反应室和高压来产生等离子体。产生等离子体通常需要干净的环境，这在煤或燃料废气燃烧系统中几乎不可能实现。在这些干等离子体法中，如美国专利7240484、7377101、7198764和7188469所讨论的，通过高压和高功率来产生电子流，其用于轰击气体分子NOx，以使NOx离解成N2和O2。
采用这些干等离子体法及系统的缺点是，需要干净的环境且需要消耗高压和高能量。特别是去除CO2所消耗的能量会很高。这导致这些干等离子体法及系统在大规模应用中比较有限，特别是当需要消除所有气体SOx、NOx和CO2时。
可以看出污染物和温室气体SO2、NOx和CO2都在废气中产生且混合在一起，以及都需要在废气释放之前去除。但是，上述的工艺和系统专门只去除所述污染气体和温室气体中的一种气体，或者不是实用的解决方法。如果通过所述各种工艺来一起去除所述的所有气体，则需要安装三个不同的处理设施以去除所有三种气体。这不可避免地导致除了存储和处理最终产物的问题之外的高成本、较大的存储空间以及高成本的反应物。
因此，需要一种方法和一种系统，所述方法和所述系统可以以低成本而从废气中同时去除污染气物和温室气体，并且不会对大气和海洋环境造成危害，无需考虑如何处理最终产物和存储原始反应物。
发明内容
本发明已被开发成满足上述的需求。因此，本发明的主要目的是提供一种方法和系统，所述方法和所述系统用于从废气中同时去除气体组分，其对环境无害。
本发明的另一个目的是提供一种方法和一种系统，所述方法和所述系统用于从废气中同时去除气体组分，其非常经济且节能。
本发明的另一个目的是提供一种方法和一种系统，所述方法和所述系统用于从废气中同时去除气体组分，其利用较少量的容易获得的原材料，并且所述材料可在处理所述废气之后回收。
本发明的这些和其它目的以及优点通过提供一种用于从废气中去除气体组分SOx、NOx和CO2的方法来实现，所述方法包括以下步骤：
a）使所述废气与第一液体介质接触，所述第一液体介质提供包含一定量的反应电子或离子的第一等离子体，以致于气体分子SOx承受所述第一等离子体中的所述电子或离子的轰击，使所述气体分子SOx离解，从而从所述废气中去除SOx；
b）使得自步骤a）的所述废气与第二液体介质接触，所述第二液体介质提供包含一定量的反应电子或离子的第二等离子体，以致于气体分子CO2承受所述第二等离子体中的所述电子或离子的轰击，使所述气体分子CO2离解，从而从所述废气中去除CO2；
c）使得自步骤b）的所述废气与第三液体介质接触，所述第三液体介质提供包含一定量的反应电子或离子的第三等离子体，以致于气体分子NOx承受所述第三等离子体中的所述电子或离子的轰击，使所述气体分子NOx离解，从而从所述废气中去除NOx。
如有必要，所述方法中的步骤a）至c）可重复一次或多次。
根据本发明，所述第一、第二和第三液体介质具有与它们各自的电离常数（pKa）大致相等或接近的pH值。
在本发明的实施例中，所述第一介质是pH值为9至11的通过碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐或任何它们的组合物而饱和的淡水，所述第二介质是pH值为9至11的通过碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐或任何它们的组合物而饱和的淡水或海水，所述第三介质是pH值为10至12的通过碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐或任何它们的组合物而饱和的淡水或海水。
在SO2气体负荷激增的某些情况下，硫酸溶液可用作所述第一介质，所述硫酸溶液的pH值控制为2至4。
优选地，所述等离子体可通过采用电解工艺或通过采用时变电磁波来产生。在所述介质中形成等离子体的量度标准是所述介质的氧化还原电位（ORP）。如果所述ORP向负方向移动，例如移动-100mV至-500mV，这表明所述介质是还原性的且包含过剩电子，说明所述等离子体在所述介质中产生且适用于还原反应。
电解过程在包含至少一个阳极和至少一个阴极的电解槽中进行，通过选择性控制在所述阳极和所述阴极处的阴离子和阳离子的产生率，从而将所述阳离子移除而将电子留在所述介质中。可根据所述阳极和所述阴极的材料、表面状况、电流密度和电势来选择性控制阴离子和阳离子的产生率。
为了促进所述等离子体产生，可采用物理分离来分离所述阳极和所述阴极，诸如采用聚丙烯（PP）或聚乙烯（PE）滤布或其它多孔机械分离器，其可物理降低电子和离子的运动速率。另一种用于促进所述等离子体产生的方法是从下至上喷射强大水流以使介质物质向上运动，从而更快地释放在所述阴极产生的氢气而将电子留在所述介质中。
用于产生等离子体的所述时变电磁波的频率通常为0.5kHz至500kHz。
优选地，为了提高所述气体的去除效率，可在进行所述电子轰击之前，使所述等离子体承受时变电磁波处理。
本发明的另一个方面是提供一种用于从废气中去除气体组分SOx、NOx和CO2的系统，所述系统包括：
塔件，所述塔件包括：
用于去除SOx的第一级，所述第一级包括用于引入第一液体介质的第一入口，所述第一液体介质提供包含反应电子或离子的第一等离子体；和第一喷涂装置，所述装置用于喷洒所述第一液体介质直到在所述第一级的截面对面形成由所述第一介质构成的膜，以致于向上并通过所述第一级的所述废气与所述第一液体介质所构成的膜接触；
用于去除CO2的第二级，所述第二级包括用于引入第二液体介质的第二入口，所述第二液体介质提供包含反应电子或离子的第二等离子体；和第二喷涂装置，所述装置用于喷洒所述第二液体介质直到在所述第二级的截面对面形成由所述第二介质构成的膜，以致于从所述第一级出来的所述废气与所述第二液体介质所构成的膜接触；以及
用于去除NOx的第三级，所述第三级包括用于引入第三液体介质的第三入口，所述第三液体介质提供包含反应电子或离子的第三等离子体；和第三喷涂装置，所述装置用于喷洒所述第三液体介质直到在所述第三级的截面对面形成由所述第三介质构成的膜，以致于从所述第二级出来的所述废气与所述第三液体介质所构成的膜接触；
电子生成系统，所述电子生成系统包括：
用于在所述第一液体介质中产生第一等离子体的第一电子生成装置；
用于在所述第二液体介质中产生第二等离子体的第二电子生成装置；以及
用于在所述第三液体介质中产生第三等离子体的第三电子生成装置。
根据本发明，所述每一喷涂装置是一种螺旋喷嘴筛，所述螺旋喷嘴筛有利于形成与所述废气接触的所述介质的薄膜。
在本发明的另一实施例中，在所述第一级和所述第二级之间设有隔离装置，所述隔离装置用于阻止所述第二液体介质渗透或干扰所述第一级。
所述第一、第二和第三电子生成装置可设于所述塔件的外面或设于所述塔件的所述的相应的级中。当所述电子生成装置设于所述塔件里面时，在所述等离子体产生之后，所述等离子体迅速与所述废气接触，而不需要外置生成槽，因此，所需要的能量和空间非常小，且在所述塔件外不设有额外的处理所述介质的装置。
优选地，在所述塔件的每一所述第一、第二和第三级中安装有排气扇和/或设计有流线型内部结构以降低所述级的反压。还有，在每一所述级中，在所述级的壁上设有用于排出撞在所述壁上的所述介质的排出通道。
根据本发明，所述系统可设置为闭环系统的形式或构造为开环系统的形式。本文中的所述术语“闭环系统”是指其中的介质可回收以接受再处理和可不断地再循环的系统。本文中的所述术语“开环系统”是指其中的介质在与所述废气接触之后会被排出的系统。
与现有技术中的可用的工艺和系统相比，本发明的所述方法和所述系统能够同时去除所述的所有三种气体，这可大大降低成本且只需要非常低的能量。而且，由本发明得到的最终产物是对环境友好的且不会危害生态系统，所以无需对最终产物进行处理。
本发明的所述方法的最大优点是，利用液体介质来产生必要的电子或离子以离解所述气体组分，而所述介质本身只携带电子而不会参与反应。这可避免如现有技术中所存在的干等离子体方法一样消耗高能量和高电压。本发明的所述方法可称为“湿等离子体方法”而与现有技术中的干等离子体方法区分开。
本发明的所述系统的所述塔件的结构不同于传统洗涤器。传统洗涤器通常构造成具有尽可能高的柱状物以提供足够长的传播路径，以及具有精细雾化喷嘴以提供在所述介质和所述废气之间的最大接触面。与传统洗涤器相反，本发明的所述塔件配置成缩短传播路径，且利用在所述塔件的截面对面的所述介质薄膜与所述废气反应。通过所述介质的薄膜，所述介质与所述废气之间的接触时间会大大减少，所述塔件的高度可短于1米。
在下面的对本发明的思想和结构的说明中，将参考附图对本发明的目的、特征、优点和技术效应进行进一步阐述。所述附图通过范例来描述本发明而不会以任何方式限制本发明。
附图说明
图1所示为根据本发明的第一实施例而设置的用于从废气中去除气体组分的系统，其中电子生成装置设于塔件的外面。
图2所示为根据本发明的第二实施例而设置的用于从废气中去除气体组分的系统，其中电子生成装置设于塔件的里面。
图3所示为采用电解工艺的电子生成装置。
图4所示为采用时变电磁波的电子生成装置。
具体实施方式
下面的说明描述优选的实施例。该说明并不限制本发明，而仅仅是为了描述本发明的普遍原理而做出，可通过所附的权利要求来进一步了解本发明的范围。
虽然在优选的实施例中说明和描述本发明，但是本发明还可包括许多不同的配置、尺寸、形式和材料。
可以理解的是，虽然本文使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、组件、特征和/或部分，但是它们不应该被这些术语所限制。这些术语只是用于将一个元件、组件、特征或部分与另一个区分开。因此，如下所述的第一元件、组件、特征或部分也可称为第二元件、组件、特征或部分而不会脱离本发明的范围。
已经知道的是，在传统工艺中，可进行液相反应以从废气中去除气体组分，但是，在去除所述气体组分之后，还存在处理所使用的反应剂以及产物和废水的问题。为了避免这些问题，可使用干等离子体工艺，但是这需要高能量和高压来轰击气体分子。本发明的方法采用液体介质来产生必要的电子或离子，所述电子或离子用于如干等离子体工艺一样在气相中撞击或轰击气体分子，但是，在所述液体介质中，可以以较低的能量和较低的电压来产生所述电子或离子。
根据本发明，可通过电解所述液体介质来在所述液体介质中产生所述电子或离子。在传统的电解工艺中，阳离子和阴离子在电解液中是平衡的，不会产生过剩的电子流。为了产生过剩的电子或离子，可通过控制阴极和阳极的材料、表面状况、电流密度、电势来选择性控制在阴极或阳极的阳离子或阴离子的产生率，以致于从所述阴极去除诸如H+离子的阳离子，其结果是所述液体介质中留有过剩的电子。用于确定所述过剩电子的量度标准是所述液体介质即电解液的氧化还原电位（ORP）。如果所述ORP向负方向移动，这表明所述电解液是还原性的且包含过剩电子。所述电解液现在携带电子而可用于本发明的所述方法。
另一种用于在所述液体介质中产生电子或离子的方法是采用时变电磁波。通过控制时变电磁波的频率在选择的范围内，所述液体介质的ORP可移动至负方向，这正是在本发明的方法中所需要使用的。使用时变电磁波的优点是，可排除通过电解所述液体介质而产生的不需要的产物，诸如当使用海水作为液体介质时产生的氯气。
当包含过剩电子的液体介质与包含气体分子SOx、NOx和CO2的废气接触时，所述气体分子会被高反应电子流轰击，因此，所述气体分子的化学键受到振动和激发而使所述气体分子离解成原子、元素、子元素、电子、离子、自由基和能量等。已经发现，可探测到和测量到增加的氧气量以及少量的CO、C和N2。这种轰击与要求高得多的能量的干等离子体法的情况类似。
因为在本发明的方法中，所述液体介质用于提供包含电子或离子的等离子体，所以废气中的气体组分和所述液体介质之间的液相反应与所述废气中的所述气体组分和所述液体介质所携带的电子之间的气相反应可能同时发生。因此，需要进行测试以阻止所述液相反应从而保证进行所述气相反应。结果发现，如果所述液体介质是缓冲溶液，则任何由所述SOx、NOx或CO2和所述液体介质产生的酸性物质会被该溶液中的缓冲剂所中和。由于该缓冲反应会降低所述气体进入所述溶液的速率，所述气体变得更容易参与气相反应，在所述气相反应中所述气体分子受到电子的轰击，以致于所述气体分子离解成他们相应的元素形式或子元素形式。由于该缓冲化合物被连续消耗，所以有必要不断补充电子供应。为此，本发明的方法可在闭环系统中进行，其中通过电解工艺或时变电磁波工艺来不断充电所述液体介质以保持电子供应。当所述系统进行纯气相反应时，包括所述液体介质的pH值、导电性、碱性物质的化学性质保持不变。
对于用于保持缓冲性质的所述缓冲溶液而言，重要的是，所述缓冲溶液必须在所述溶液的电离常数pKa等于或接近于它的pH值的条件下运作，这意味着所述溶液在它的最大缓冲条件下运作。
许多缓冲离子水溶液可用作液体介质。这些缓冲溶液可单独使用或任意组合使用。例如，海水可用作介质，它可包括诸如碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐等的许多不同缓冲剂的混合物。典型的单种缓冲溶液包括但不限于乙酸酯，2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇，2-氨基-2-甲基-1-丙醇，氨基-1-丙磺酸，氨，砷酸根，巴比妥，N,N-二羟乙基甘氨酸，双-三丙烷，硼酸盐，二甲胂酸盐，碳酸盐，柠檬酸盐，L-半胱氨酸，二乙醇胺，二甲酯，3,3-戊二酸二甲酯，乙醇胺，N-乙基吗啉，甘油2-磷酸，甘氨酸，甘氨酰胺，双甘氨肽，三甘氨肽，L-组氨酸，肼，咪唑，马来酸盐，2-巯基乙醇，甲胺，2-甲基咪唑，草酸盐，磷酸盐，邻苯二甲酸盐，哌嗪，乙磺酸，二羟基丙磺酸，焦磷酸盐，琥珀酸盐，硫酸盐，亚硫酸盐，L-酒石酸，麦黄酮，三乙醇胺，三乙胺。
所述缓冲溶液还可组合成无机酸，羧酸，醇，肟异羟肟酸，过氧化物，质子化种类，亚磺酸，质子化的氮，胺类，酰胺类，酰胺类和氨基甲酸酯类，酰亚胺，磺酰胺，胍盐，腙，质子化的杂环，异羟肟酸＆脒，杂环，烃类，酰胺类，酮类，腈类，杂芳族化合物，硫化物，亚砜，锍，磺酰亚胺＆砜亚胺，砜，醚，硒化物，铵，鏻，磷酸盐&磷氧化物，氧化膦，亚胺。。
因为所述废气包括气体组分SOx、CO2和NOx的混合物，所以在所述三种气体之间存在竞争反应。通过选择性控制pH值、液体介质的离子性质、以及所述液体介质与所述废气之间的接触温度，可分别消除所述气体组分。
根据本发明的方法，所述气体组分SOx、CO2和NOx可分别通过塔件的三个不同的级来去除。请参看附图，图1所示为根据本发明的第一实施例构建的系统。在此实施例中，所述系统包括：塔件；包括第一电子生成装置210、第二电子生成装置220和第三电子生成装置230的电子生成系统。这些电子生成装置设于所述塔件的外面，且通过管道与所述塔件连接。
如图1所示，所述塔件设置为包括位于它的底部的第一级110、位于所述第一级110上面的第二级120和位于所示是第二级120上面的第三级130。废气10通过位于反应器10底部的第一入口112而进入所述第一级110，接着向上通过所述第二级120和所述第三级130，然后通过位于所述塔件顶部的气体出口132而出去。所述电子生成装置210、220和230分别为所述三个不同的级110、120和130提供电子流。
在所述第一级110中，携带过剩电子的碱性或酸性介质可用于提供电子或离子。碱性介质的例子是pH值为9至11的以MgCO3饱和的淡水。关键是该MgCO3溶液的所述pH值保持为9至11，所述pH值与在水中的MgCO3的pKa值相等。这保证了所述MgCO3溶液在它的最大缓冲条件下运作。在所述最大缓冲条件下，所述废气中的所述SO2与所述MgCO3溶液之间的液相反应会被抑制，这是因为所述SO2首先需要与水反应而形成SO4 2+和H+，所述H+然后被所述缓冲溶液中和以完成液相反应。如果所述MgCO3溶液不含有过剩电子，所述液相反应会发生，尽管由于缓冲效应，所述液相反应过程会大大减慢。然而，当所述MgCO3溶液包含过剩电子时，这些电子会与所述液相反应竞争而竞相与SO2反应。由此，所述气体SO2会以相对容易的路径而进行气相反应。在所述气相反应中，所述SO2分子会受到所述的高还原性的电子轰击而转化成氧气和元素S。
在所述气相反应发生以去除所述气体SOx之前，所述高还原性的介质的ORP为-100~-500mV。在所述气体SOx去除之后，所述介质的所述ORP会移回正方向。但是，因为没有H+由任何液相反应产生，所以所述pH值保持不变。本发明不需要中和过程，在所述MgCO3溶液中没有产生多余的硫酸盐。更重要的是，可选择所述的包含MgCO3的淡水以使它具有选择性去除SOx而非其它气体的性质。因为在去除所述SOx之后，所述ORP动向正方向，所以所述MgCO3溶液回到所述第一电子生成装置210中以重新生成而重新得到负的ORP。在该重新生成过程中，所述pH值保持差不多恒定，而其波动则极小。导电性和其它水参数也保持差不多不变。这也是一项指标，表明该去除SOx的过程全部是气相反应。
该去除所述气体SOx的过程对所述液体介质的组分敏感。在某些情况下，在所述溶液中，应当避免某种高离子元素。否则，液相反应会超过气相反应，并且所述液体介质不能重新生成。因此，在所述第一级110和所述第二级120之间设有隔离装置，以避免来自所述第二级120的海水或其它高离子溶液中所包含的NaCl的渗透或干扰。
还有其它缓冲离子水溶液可用作所述第一液体介质。例如，包含碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐等许多不同缓冲剂的混合物的海水可用作所述第一液体介质，只要该溶液在pH值接近于或等于该溶液的pKa值的情况下运作。如上所述，当该缓冲条件保持不变时，所述SOx更容易进行气相反应而不是液相反应。
可供选择地，酸性介质可用于所述第一级110中。所述酸性介质的例子是pH值为2至4的硫酸溶液。特别当SO2气体负荷突然激增而超过正常预期的量时，可优选地采用所述酸性介质。如果使用基于碱性物质的缓冲溶液，则如果电子供应不足，过多的SO2负荷会破坏缓冲剂。如果发生这种情况，所述SO2会进入所述溶液中而导致所述缓冲溶液变成酸性而失去缓冲能力。当使用硫酸缓冲溶液时，即使所述SO2负荷过多，所述缓冲溶液可较好地保持它的缓冲能力。当然，在使用所述酸性介质的情况下，需要考虑用于制造所述塔件或所述第一电子生成装置210的材料的腐蚀问题。
可通过电解所述MgCO3溶液或对所述MgCO3溶液施加时变电磁波来在所述第一电子生成装置210中产生电子。图3表示采用电解工艺的电子生成装置。如图所示，所述电子生成装置包括电解池310、阳极320和阴极330，所述阳极和所述阴极隔开放置。所述阳极320可由惰性材料或半消耗材料制成，诸如金属、金属氧化物、石墨、硅铁、镀铂钛和铌等材料。所述阴极可由金属材料或石墨制成的，典型为镍、钢、镀镍钢、铜、金属氧化物等等。所述阳极和所述阴极通过膜、离子膜或物理分离相隔开。优选地，所述物理分离通过聚丙烯（PP）或聚乙烯（PE）滤布来实现。采用所述物理分离可物理减慢在所述电解池中的离子的运动，从而足以产生所需的效应。使用这个PP或PE过滤机械分离器，可排除通过在电极之间使用膜而产生的问题。在所述电解池中，在电解过程中，电解液在阳极侧会变得非常酸性而在阴极侧会变得碱性。在这种非常酸性和碱性的环境中，膜容易受损，处理这些酸性溶液和碱性溶液是一个问题。在本发明中，所述阳极包裹有PP或PE袋350以隔开所述阳极和所述阴极。所以当电解所述MgCO3溶液时，不会产生酸性水，并且整个电解液是碱性的。
在此实施例中，淡水可用作液体介质且受到电解。因此，在电解过程中，不会产生氯气。根据本发明，关键是H+离子必须在所述阴极从所述水中去除而尽可能快地产生和释放氢气，从而在所述水中产生过剩电子。可通过控制所述电极的浸入深度以及所述电极的位置、方向、形状、尺寸、表面状况和材料，来进行去除所述H+离子。水流状况也会影响氢气的释放率。用于促进氢气释放的另一种方法是从下至上喷射强大水流以使所述水向上运动。可在所述电解池310中设置螺旋桨搅拌器或强大的气升装置以使所述氢气从所述阴极的表面向上升。
所述氢气对水头以及在电解池中的电解液输送管道的吸入位置敏感。因此，所述电解池可设计成在某个位置吸出所述的用于喷射的电解液，所述位置可加速氢气在电极表面释放。典型地，所述电解液管道的吸入位置设置在靠近所述阴极的位置。
所述电解池的材料也是关键的。可挑选所述材料以致于不会有电子消失。所述材料最好是非金属材料。如果需要金属材料来满足结构长度要求，则所述电解池必须是线型的或涂有诸如环氧树脂、玻璃纤维、PVC或橡胶的非导电材料。
当氧化还原电位（ORP）动向负电压方向且为-100mV至-500mV时，这表示在所述电解液中出现过剩电子或不平衡的电子，所以所述电解液携带必要的还原性的电子以进行气相反应。
因为会产生氢气，所以应当考虑安全问题。为此，压缩空气提升装置340安装于所述电解池的顶部以从所述电解池310较快地去除所述氢气。同时，新鲜空气360被引入所述电解池310中以控制所述氢气的浓度从而不会超过体积浓度为4%的氢气浓度安全限制。
图4所示为采用时变电磁波的电子生成装置。如图所示，所述电子生成装置包括槽410以及二个浸没在MgCO3水溶液中的分离的电极天线420、430。所述电子生成装置还包括串联连接在所述二个电极天线420、430之间的电磁波生成卡440，以及与所述电磁波生成卡440耦合的直流电源。所述电磁波生成卡440具有各种频率范围，所述频率范围全部落入所需要的频率范围中。在此实施例中，所需要的频率是0.5kHz至500kHz的范围和大约为从微秒到秒的时变范围，最好是0.5kHz至1kHz的范围，特别是大约5kHz、10kHz、20kHz左右。
所述电极天线420、430相互隔开设置于所述MgCO3溶液中，从而允许所述MgCO3溶液更彻底地受到电磁波。优选地，所述电极天线420、430相互隔开以致于它们以所述频率运作以达到最佳覆盖率。所述电磁波形式可以是方波、正弦波、锯齿波、三角波等。所述电极天线可以由选自镁，钡，钢，铜，诸如氧化铱、氧化钌或它们的混合物的金属氧化物，石墨或其它导电金属。所述电极的形状可以根据实际的安装要求而变化，且可以是棒，带，条，盘和其它几何形状。对于不同形状的电极，用于驱动所述电极的电压可以改变以保持在电解液中产生电子所需要的最小电流。
当所述MgCO3溶液的ORP向负方向移动-100mV至-500mV时，这表明所述MgCO3溶液携带过剩电子而适合在等离子体湿式条件下的气相反应。所述MgCO3溶液被注入所述第一级110的顶部而向下喷洒。所述MgCO3溶液通过一种螺旋喷嘴筛来喷洒（图1中未示出）。设置所述螺旋喷嘴的合适尺寸以及所述第一级的合适尺寸可更正喷嘴压力，在所述喷嘴压力下，所述MgCO3溶液的薄膜在所述第一级110的截面的对面形成。虽然所述膜非常薄，但是这足以提供废气与所述电子之间的接触时间而在气相发生反应，这是因为气体和所述电子之间的反应发生地非常快。所述薄膜完全阻挡所述第一级的截面，以致于从所述第一级110的底部往上升的所述废气被迫与所述MgCO3溶液的所述薄膜即所述MgCO3溶液所携带的所述电子接触。通过这种方式，气体SOx受到所述电子的轰击而离解。
可以理解的是，传统洗涤器设计为具有精细雾化喷嘴且为垂直长度以提供所述废气与所述介质之间的最大接触面和最长接触时间。与传统洗涤器相反，本发明的所述塔件避免使用精细雾化喷嘴，因为发现在雾之间存在大量气体没有与介质接触，这会影响气相反应的功效。因此，诸如喷筛和雾筛的所述螺旋喷嘴筛类型适合用于本发明以形成阻挡所述塔件的截面的所述膜。
结果发现，携带过剩电子的所述MgCO3溶液，在受到时变低频电磁场处理之后，去除的SOx会大大地增加。因此，在所述MgCO3溶液引入且喷洒在所述第一级110中之前，可设置一种用于产生具有可变低频率的电磁场的装置（未示出）。例如，所述装置包括包裹在一根管道周围的线圈以对流动穿过所述管道的所述MgCO3溶液施加时变低频率电磁场。或者，所述电极天线可放入所述管道中，所述MgCO3溶液流动穿过所述管道而进入所述第一级。所述的被激发的MgCO3溶液然后喷出以形成所述薄膜从而与从所述第一级110向上升的废气接触。在用于产生电磁场的所述装置中，流动通过所述线圈或所述电极天线的电流和频率范围可以控制或预编程以适合所要特别去除的气体的性质。
为了进一步加强去除所述SOx，可设置排出通道（未示出），一旦所述溶液到达所述第一级的壁上，所述排出通道用于立即排出所述MgCO3溶液。这会阻止所述溶液沿所述壁往下流而提供较长的接触时间和较大的接触面。如上所述，为了本发明的气相反应，所述气体和所述溶液之间的较长的接触时间和较大的接触面应当尽可能避免。
所述第二级120设置为用于从所述废气中去除CO2。实际上，所有SOx会在所述第一级110中被大致完全去除。因此，从所述第一级出来的所述废气通常包括气体组分CO2和NOx。类似地，液体介质的pKa值等于或接近于所述液体介质的pH值的原理可应用于所述第二级120。只要适当地选择所述pKa值和pH值，就可有很多方法能够去除所述CO2。例如，添加或没添加MgCO3的海水可通过气相反应来很好地去除CO2。此外，满足条件pKa值等于pH值的包含MgCO3的淡水可用作介质来去除CO2。在此实施例中，pH值为9至11的以MgCO3饱和的海水可用作第二液体介质来产生可提供过剩电子的等离子体。
在所述第二级120中，可发现气体CO2大大地减少而产生细小的碳颗粒和氧气以及少量的CO。
所述第二级120的结构与所述第一级110的结构相同，这里不再赘述。像所述第一电子生成装置210一样，用于提供必要的电子给所述第二级的第二电子生成装置220可以是电解类型或时变电磁波类型。
在所述第二级120中，大部分CO2已被去除。所以进入所述第三级的所述废气主要包含NOx和很少量的CO2。
所述第三级130设置为用于去除NOx。因为气体组分SOx和CO2已基本上从所述废气中去除，所以供应至所述第三级的电子负荷减少。在这一级中，所述液体介质最好具有非常高的pH值以产生适合气相还原NOx的环境。优选地，pH值为10至12的以MgCO3饱和的淡水或海水可用于将NOx转化成气体N2和O2。
所述第三级130和用于提供电子流给所述第三级的第三电子生成装置230在结构上与所述第一级110和所述第一电子生成装置210相同，这里不再赘述。
回到图1，所示为用于从废气中去除气体组分的闭环系统。可以看出，在所述塔件的每一所述级中，与所述气体接触之后的水（本文称为“洗涤水”）重新循环回到电子产生装置而作为液体介质的源以重新产生包含必要的电子的等离子体，只要所述洗涤水的pH值被激发以等于或接近于所述MgCO3溶液的pKa值。在所述闭环系统中，所需要的液体介质的量相对较少。
本发明的方法还可在开环系统中实施。在所述开环系统中，一旦所述液体介质通过电解工艺或通过时变电磁波工艺被激发而达到pKa值=pH值的条件时，则将所述液体介质喷入所述塔件中以去除气体。接着直接排出洗涤水，因为本发明所排出的所述洗涤水不会影响生态系统且满足排放要求。当然，可组合开环系统和闭环系统而用于所述三个级，这取决于实际应用要求和所述液体介质的可用性。
图2表示根据本发明的第二实施例所构建的用于从废气中取出气体组分的系统。所述系统与第一实施例中所公开的系统基本相同，但是不同之处在于电子生成装置分别设置在塔件的相应的级内。在此实施例中，该系统也是一种闭环系统。
如图2所示，分别用于所述塔件的三个级110、120、130的洗涤水槽510、520、530设置于所述塔件外，所述电子生成装置通过现有技术中众所周知的方法而紧附于所述塔件的壁上。以所述第一级110为例，所述电子生成装置包括至少二个对置地紧附于所述第一级的壁上的电极天线420和430。来自所述洗涤水槽510的MgCO3溶液灌入所述第一级110的顶部，然后通过螺旋喷嘴筛600而喷洒，且喷洒通过由所述电极天线420和430定义的空间而形成在所述级的截面的对面的膜。如果适当地选择和设置所述电极天线，则会产生用于进行如上所述的气相反应的包含过剩电子或离子的等离子体。在与所述废气接触之后，将洗涤水导入所述洗涤水槽510以重新生成。
相比于上面第一实施例中所述的系统，将所述电子生成装置设置于所述塔件内部，可节省很多能量和空间。这是因为所述液体介质在所述塔件内部被激发而产生等离子体，所以不需要外部设施。这种设置的另一个优点是，所述等离子体可立即与废气接触，所以能量损失最小。因为这些特征，甚至所述液体介质的薄膜也能够产生用于从废气中去除气体组分的所需要的效应。
根据以下条件，已经测试本发明的所述方法处理废气的效果：
塔件的级：第一级—闭环，pH值为9至11的包含MgCO3的淡水；
第二级—开环，pH值为9至11的海水；
第三级—开环，pH值为10至12的包含MgCO3的淡水；
电子生成装置：通过频率为66.67Hz的电压卡和铝/镁电极天线来产生时变电磁波的类型。
测试结果表明气体SOx、NOx和CO2的去除率分别为45%-70%、40%-50%和10%-25%。
因此，本发明提供一种方法和一种系统，所述方法和所述系统可从废气中有效地去除气体组分SOx、NOx和CO2。本发明非常经济和便利，且不会对环境造成危害。当与现有技术中的工艺和系统相比时，本发明表现一种新颖的和独特的特性，即采用液体介质来产生必要的电子或离子以在等离子体湿式环境中离解所述气体组分，而所述介质本身只携带电子并不参与反应。这避免了消耗高能量和高电压。
与现有技术中的可用的工艺和系统相比，本发明的所述方法和所述系统以减少的成本而通过采用非常低的能量能够同时去除所述的所有三种气体。而且，由本发明得到的最终产物是对环境友好的且不会危害生态系统，所以无需对最终产物进行处理。
虽然根据某些优选的实施例而充分描述了本发明的本质，但是本发明应当不限于这些实施例和附图中的结构和功能。应当声明的是，只要不改变、修改或变更本发明的基本原理，本发明还可进行细节的变形。在不背离本发明的范围下，本领域的技术人员根据常识而轻易作出的许多变型和改型应当落入本发明的范围之内。

Claims (38)

1.一种用于从废气中去除气体组分SOx、NOx和CO2的方法，所述方法包括以下步骤：
a）使所述废气与第一液体介质接触，所述第一液体介质提供包含一定量的反应电子或离子的第一等离子体，以致于气体分子SOx承受所述第一等离子体中的所述电子或离子的轰击，使所述气体分子SOx离解，从而从所述废气中去除SOx；
b）使得自步骤a）的所述废气与第二液体介质接触，所述第二液体介质提供包含一定量的反应电子或离子的第二等离子体，以致于气体分子CO2承受所述第二等离子体中的所述电子或离子的轰击，使所述气体分子CO2离解，从而从所述废气中去除CO2；
c）使得自步骤b）的所述废气与第三液体介质接触，所述第三液体介质提供包含一定量的反应电子或离子的第三等离子体，以致于气体分子NOx承受所述第三等离子体中的所述电子或离子的轰击，使所述气体分子NOx离解，从而从所述废气中去除NOx。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一、第二和第三液体介质的pH值大致相等于或接近于它们各自的电离常数（pKa）。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一介质是pH值为9至11的通过碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐或任何它们的组合物而饱和的淡水。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一介质是pH值为2至4的硫酸溶液。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二介质是pH值为9至11的通过碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐或任何它们的组合物而饱和的淡水或海水。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三介质是pH值为10至12的通过碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐或任何它们的组合物而饱和的淡水或海水。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在包含至少一个阳极和至少一个阴极的电解池中分别电解所述第一、第二和第三液体介质来产生所述第一、第二和第三等离子体；通过选择性控制在所述阳极和所述阴极的阴离子和阳离子的产生率来实施所述电解，从而去除所述阳离子而将所述电子或离子留在所述介质中。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阳极用选自由金属、金属氧化物、石墨和镀铂钛组成的组的材料制成。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阴极用选自由镍、钢、镀镍钢、铜、石墨和金属氧化物组成的组的材料制成。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阳极和所述阴极通过物理分离而互相隔开。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过聚丙烯（PP）或聚乙烯（PE）滤布或多孔机械分离器来实现所述物理分离。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：从下至上喷射强大水流以使介质物质向上运动，从而较快地释放在所述阴极上产生的氢气。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述阳极和所述阴极的材料、表面状况、电流密度、电势来选择性地控制阴离子或阳离子的产生率。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过分别对所述第一、第二和第三介质施加时变电磁波来产生所述第一、第二、第三等离子体。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述时变电磁波的频率为0.5kHz至500kHz。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一、第二和第三介质分别在与所述废气接触之后被收集，然后被激发以产生为离解所述气体组分所需的反应电子或离子，以致于所述介质不断地循环使用。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a）至c）中，所述介质分别具有-100至-500mV的氧化还原电位。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a）至c）的每一步骤中，在进行所述电子轰击之前，所述等离子体承受时变电磁波处理。
19.一种用于从废气中去除气体组分SOx、NOx和CO2的系统，所述系统包括：
塔件，所述塔件包括：
用于去除SOx的第一级，所述第一级包括用于引入第一液体介质的第一入口，所述第一液体介质提供包含反应电子或离子的第一等离子体；和第一喷涂装置，所述装置用于喷洒所述第一液体介质直到在所述第一级的截面对面形成由所述第一介质构成的膜，以致于向上并通过所述第一级的所述废气与所述第一液体介质所构成的膜接触；
用于去除CO2的第二级，所述第二级包括用于引入第二液体介质的第二入口，所述第二液体介质提供包含反应电子或离子的第二等离子体；和第二喷涂装置，所述装置用于喷洒所述第二液体介质直到在所述第二级的截面对面形成由所述第二介质构成的膜，以致于从所述第一级出来的所述废气与所述第二液体介质所构成的膜接触；以及
用于去除NOx的第三级，所述第三级包括用于引入第三液体介质的第三入口，所述第三液体介质提供包含反应电子或离子的第三等离子体；和第三喷涂装置，所述装置用于喷洒所述第三液体介质直到在所述第三级的截面对面形成由所述第三介质构成的膜，以致于从所述第二级出来的所述废气与所述第三液体介质所构成的膜接触；
电子生成系统，所述电子生成系统包括：
用于在所述第一液体介质中产生第一等离子体的第一电子生成装置；
用于在所述第二液体介质中产生第二等离子体的第二电子生成装置；以及
用于在所述第三液体介质中产生第三等离子体的第三电子生成装置。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，每一所述喷涂装置是一种螺旋喷嘴筛。
21.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，在所述第一级和所述第二级之间设有隔离装置，所述隔离装置用于阻止所述第二液体介质渗透或干扰所述第一级。
22.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述第一、第二和第三电子生成装置设置于所述塔件之外。
23.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述第一电子生成装置设于所述塔件的所述第一级之内，所述第二电子生成装置设于所述塔件的所述第二级之内，所述第三电子生成装置设于所述塔件的所述第三级之内。
24.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，每一所述电子生成装置包括包含至少一个阳极和至少一个阴极的电解池，在所述阳极和阴极之间施加有直流电流以电解在所述电解池中的所述介质。
25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，所述阳极用选自由金属、金属氧化物、石墨和镀铂钛组成的组的材料制成。
26.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，所述阴极用选自由镍、钢、镀镍钢、铜、石墨和金属氧化物组成的组的材料制成。
27.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，通过将所述阳极包上PP或PE袋来使所述阳极和所述阴极物理分离。
28.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，设置螺旋桨搅拌器或气升装置以使氢气上升离开所述阴极的表面。
29.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，压缩空气提升文氏管安装于所述电解池的顶部以使来自所述电解池的氢气消散。
30.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，用于引入所述介质的入口设置于所述电解池中的靠近所述阴极的位置。
31.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，所述电解池由非金属材料或具有非导电性内衬或涂层的金属材料制成。
32.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，每一所述电子生成装置包括用于产生时变电磁波的装置，所述介质承受所述时变电磁波以产生所述等离子体。
33.根据权利要求32所述的系统，其特征在于，所述时变电磁波的频率为0.5kHz至500kHz。
34.根据权利要求32所述的系统，其特征在于，用于产生时变电磁波的所述装置包括包含至少二个以定距相隔的方式浸在所述介质中的电极天线的槽、连接在所述二个电极天线之间的电磁波生成卡、以及与所述电磁波生成卡耦合的直流电源。
35.根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述二个电极天线由诸如镁、钡、铜、刚的金属，诸如氧化铱、氧化钌的金属氧化物或它们的混合物，或石墨制成。
36.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，设置用于产生时变电磁波的另一装置以使每一所述第一、第二和第三介质在引入所述塔件之前承受所述时变电磁波。
37.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，在每一所述第一、第二和第三级之内安装排气扇。
38.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，在每一所述级中，在所述级的壁上设有排出通道，以在所述介质到达所述壁时将所述介质排出。
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